Lektsii_zubova_1
.pdft, x QT v(t, x) 6 v(t , x ):
−u(t, x) = v(t, x) 6 v(t , x ) = −u(t , x ) : u(t, x) > u(t , x ) t, x QT
Только интеграл Пуассона непрерывно зависит от входных данных. Не факт, что нету других решений, которые не описываются интегралом Пуассона. Для единственности решения, необходимо ввести некоторый класс функций с ограниченным ростом на бесконечности.
Определение: Пусть T > 0, σ > 0. Введ¼м слой толщины T â Rn : ΠT = {(t, x) : 0 < t < T; x Rn } Mσ(T) класс функций. u(t, x) Mσ(T), åñëè:
1)u(t, x) C1t,,x2(Πt) ∩ C(ΠT) (непрерывно продолжаема вплоть до границы.)
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2) A > 0; α > 0 : |
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|u(t, x)| 6 A· eα|x|σ , |
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(t, x) |
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ΠT |
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Класс Тихонова: σ = 2 |
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Утверждение 1: Класс функций Mσ |
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- линейной пространство, прич¼м если σ0 |
> 0; |
σ0 |
6 σ1, òî |
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Mσ0 (T) Mσ1 (T) |
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Пусть u1(t, x), u2(t, x) Mσ(T) |
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|u1(t, x)| 6 A1eα1|x|σ |
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|u2(t, x)| 6 A2eα2|x|σ |
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|µ1u1(t, x) + µ2u2(t, x)| |
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6 |µ1||u1(t, x)| + |µ2||u2(t, x)| |
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6 |µ1|A1eα1|x|σ + |µ2|A2eα2|x|σ |
6 |
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6 (|µ1|A1 + |µ2|A2)emax(α1,α2)|x|σ |
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= |
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Aeα|x|σ |
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u(t, x) Mσ0 (T); |
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σ0 < σ1 |u(t, x)| 6 Aeα|x|σ0 6 Aeα|x|σ1 |
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u(t, x) Mσ1 (T) |
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1 |
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+ |
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2|x|2 |
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||||
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Утверждение 2: |
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T > 0 функция UT(t, x) = |
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e |
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4a |
(T−t) , t < T, x Rn |
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(T |
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t)n/2 |
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
удовлетворяет однородному уравнению теплопроводности.− |
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à)UT(t, x) C∞({t < T, x Rn}) |
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x 2 |
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|x| |
2 |
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∂U |
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1 |
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n |
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1 |
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+ |
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á) |
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T |
= [ |
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+ |
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| | |
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]e |
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4a2(T−t) |
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∂t |
(T − t)n/2+1 |
2 |
(T − t)n/2 |
4a2(T − t)2 |
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|x| |
2 |
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1 |
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2 |
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1 |
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[4 x 2 |
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+ |
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á)∆xUT = [ |
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n |
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+ |
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]e |
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4a2(T−t) |
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(T − t)n/2 |
4a2(T − t) |
(T − t)n/2 |
[4a2(T |
− t)2]2 |
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∂UT |
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2 |
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= 0 |
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− a |
∆xUT |
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∂t |
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Лемма 4.4 Пусть v(t, x) такова, что: |
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1) |
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( |
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) |
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v(t, x) M2 2T |
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T1 |
: |
0 < T1 |
6 T : |
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n |
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2 |
v |
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n |
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Тогда |
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ϵ > 0 |
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R , |
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2)LU ≡ vt |
− a |
∆xv |
= 0, |
0 |
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< t |
< T, x |
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t=0 = 0, x R |
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x |
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1 |
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+ |
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2 |
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|||||||||||
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|v(t, x)| 6 ϵU2T1 (t, x) = ϵ |
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e |
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4a |
(2T1−t) , (t, x) ΠT1 |
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(2T1 |
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− t |
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n/2 |
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1)v(t, x) 6 Aeα|x| |
2 |
, |
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) |
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(t, x) ΠT |
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2)Выберем T1 = min(T, |
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1 |
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); то есть мы выбрали T1 не зависящим от ϵ |
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16a2α |
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3)Выберем ϵ > 0 |
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ω±(t, x) = ϵU |
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(t, x) |
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v(t, x) > ϵU |
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(t, x) |
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v(t, x) |
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> ϵU |
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(t, x) |
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|
Aeα|x| |
2 |
|
|
|
ϵ |
e |
+ |
2 |x|2 |
|
|
|
Aeα|x| |
2 |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
2T1 |
± |
2T1 |
−| |
| |
2T1 |
− |
|
= |
|
|
|
4a (2T1 |
− |
t) |
− |
|
> |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
n/2 |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
ϵ |
|
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|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
ϵ |
|
|
|
|
|
|
+ |
|
2|x|2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ϵ |
|
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|
|
|
|
+ |
|
|x|2 |
|
|
|
|
(2T1)n/2 |
|
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1 |
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α x |
2 |
|
(2T1 − t) |
|
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||||||||||||||||
|
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||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
> |
|
|
e |
|
4a |
(2T1) |
− Aeα|x| |
|
|
= |
|
|
|
|
|
e |
|
|
8a2T1 [1 − |
|
|
|
|
|
|
|
A· e−(8a2T1 |
− |
|
)| | |
|
] |
|
|
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|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
(2T1)n/2 |
|
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|
(2T1)n/2 |
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ϵ |
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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|
|
R(ϵ) : |
|
|
[ |
|
|
|
|
|
ϵ |
|
|
|
A· e−( |
8a2T1 − |
)| | |
] |
6 |
2 |
|
|
|
(так как показатель экспоненты < 0) |
|
|
|
|
|
|
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|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
(2T1)n/2 |
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|
|
1 |
|
|
|
α |
|
|
x |
2 |
|
|
|
1 |
|
|
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|
ω±ϵ (t, x) - достаточно гладкая
31
Обе эти функции и оператор теплîïðоводности обращаются в 0 в полосе шириной T1. Из следствия 4.4 ω±ϵ (t, x) > 0 (t, x) ΠT1
ϵU2T1 (t, x) ± v(t, x) > 0 (t, x) ΠT1
|v(t, x)| < ϵU2T1 (t, x), (t, x) ΠT1
Бер¼м любую точку (t , x ) из рассматриваемой полосы: |v(t, x)| < ϵC v ≡ 0
Теорема 4.5: |
|
|
|
ut − a2∆xu = f (t, x), 0 < t 6 T; x Rn |
||
Задача Коши |
|
|
||||
в полосе ΠT не может иметь более одного решения |
в классе Тихонова M2(T) |
|||||
|
|
|
{ |
|
|
x Rn |
|
|
|
u t=0 = u0(x), |
|||
|
|
|
|
|
|
|
Предположим противное. Пусть есть 2 решения: uI(t, x) è uII(t, x) |
||||||
v(t, x) = uI(t, x) − VII(t, x) M2(T) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Lv ≡ vt − ∆xv = 0, |
(t, x) ΠT |
|||
В силу только что доказанной леммы |
находим T1. В замыкании полосы ΠT1 v(t, x) 0 Далее, так |
|||||
|
{ |
v |
|
= 0, x Rn |
|
|
|
t=0 |
|
||||
как на верхней границе полосы |
|
|
|
, используем опять нашу лемму, для сдвинутой≡вверх задачи |
||
|
v(t, x) = 0 |
|
|
|
||
Коши. Так как существуте такое N, ÷òî NT1 > 0, |
òî çà N таких шагов мы получаем, что в искомом |
|||||
ñëîå v(t, x) ≡ 0 |
|
|
|
|
|
|
Отметим тот факт,что в классе M3(T) можно построить ещ¼ одно решение.
Обратная задача теплопроводности:
ut − a2uxx = 0, t < 0, x Rn |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Привед¼м пример, когда она будет некорректной: |
|||||
u t=0 = u0(x) |
|
|
|
|
|
Пусть u (x) = e−n cos nx, n |
|
N, n |
→ ∞ |
Тогда: |
|
20 2 |
|
|
|
||
u(t, x) = e−a n |
t−n cos nx В любой точке (t, x) ñ t < 0 ïðè n → ∞ u(t, x) → ∞ |
Эллиптические задачи
Формула Грина для уравнения Лапласа Пусть Ω - ограниченная область в Rn
Определение: Ограниченная область Ω называется областью с границей Γ класса C1(гладкой), åñëè x0 Γ :
а)Декартова система координат ξ = (ξ1, . . . , ξn)
б)Окрестность U(x0) = {x : |ξ′| < r, |ξn| < h} ξ′ = (ξ1, . . . , ξn−1) такая, что в ней часть границы Γ представима в виде: ξn = F(ξ′) = F(ξ1, . . . , ξn−1), |ξ′| < r:
1)F(0) = 0
2)F(ξ′) C1(|ξ′| < r)
3) |
∂ f |
(0) = . . . = |
|
∂ f |
(0) = 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
∂ξ1 |
∂ξn−1 |
|
|
|
Ω |
|
|
|
|
|
|||||||
в)Множество U−(x0) = U(x0) ∩ {x : ξn < F(ξ′)} |
|
|
|
|
|
||||||||||||
г)Множество U+(x0) = U(x0) ∩ {x : ξn > F(ξ′)} |
< Ω |
|
|
|
0 |
Γ |
|||||||||||
д) Числа r > 0 è h > 0 можно выбрать независимо от точки x |
|
||||||||||||||||
формула Остроградского-Гаусса: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
∫ |
→− |
∫ |
( |
|
|
|
) |
I →− |
→− |
) |
x |
|
|
||||
∂x1 |
∂xn |
|
|
||||||||||||||
Ω |
|
Ω |
|
∂F + . . . + |
∂F |
Γ |
( |
|
|
|
|
||||||
|
div F |
(x)dx = |
|
dx = |
F (x), n (x) dS |
|
|
|
Лемма 6.1: Пусть Ω - ограниченная область в Rn с гладкой границей Γ C1. Тогда справедливо:
1)Формула Грина(1-ая): |
∫Ω |
|
∂u |
|
|
|||||
u(x) C2( |
|
), v(x) C1( |
|
) : |
(∆u)v· dx = |
vdSx − |
( u, v)· dx |
|||
Ω |
Ω |
|||||||||
|
||||||||||
|
|
|
|
|
IΓ |
→− |
∫Ω |
|||
|
|
|
|
|
|
|
∂ n |
|
32
1)Формула Грина(2-ая): |
|
|
∫Ω |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂u |
|
|
|
∂v |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
u(x) C2( |
|
), v(x) C2( |
|
|
) : |
|
(∆u)v· dx − |
|
(∆v)u· dx = |
|
vdSx − |
|
udSx |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
Ω |
Ω |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∫Ω |
|
|
IΓ |
|
→− |
IΓ |
→− |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
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|
|
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|
|
|
∂ n |
|
|
|
|
∂ n |
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|
|
|
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|
Доказательство: |
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|
|
|
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|
|||||||||||||
à) v(x),→−f (x) - äâà ïîëÿ |
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
↓ |
|
|
|
|
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|
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|
|
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||||||||||||||||
→− |
|
|
|
|
|
|
→− |
|
|
|
|
→− v↓ |
|
|
|
|
|
→− |
|
→− |
|
→− |
|
→− |
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|||||||||||||||||
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
→− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
div( f v) |
n |
|
( , f v) = ( , |
f |
|
|
) + ( , f |
v) = v( , f |
) + ( v) |
f = v div f |
+ ( f |
, u) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
∂ |
|
|
|
|
|
|
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|
|
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|
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|
|
||||
á) ∆u = |
|
|
|
|
|
(uxk ) |
= div( u) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
k=1 |
∂xk |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
→− |
∑ |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
v C |
(Ω) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|||||||||||||||||||||
|
f = |
u C (Ω), |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
div(( u)v) |
= v∆u + ( u, v), интегрируем по=Ω |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂u |
|
|
|
|
|
, |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
∫ |
|
|
|
|
|
|
|
|
∫ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∫ |
|
|
|
|
|
I |
|
→− |
|
∫ |
|
|
|
|
I |
|
|
∫ |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
→− |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
· |
v)dx = |
|
div |
|
|
( |
u |
v dx− |
( |
u |
v |
dx |
|
( |
u |
x− |
|
u |
v |
dx |
= |
|
|
vdSx− |
( |
u |
v |
dx |
|
||||||||||||||||||||
|
(∆u |
|
|
|
( |
|
|
|
|
) |
) |
|
, |
) |
|
|
|
, n )vdS |
|
|
( , |
) |
|
|
∂ n |
|
, |
) |
|
|
||||||||||||||||||||||
Ω |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ω |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ω |
|
|
|
|
|
Γ |
|
|
|
Ω |
|
|
|
|
Γ |
|
Ω |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
òàê êàê: |
|
|
|
|
|
|
∑ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
∂u |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂u |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
= ( |
u |
, n ) = |
|
|
n |
|
|
|
n |
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
→− |
|
|
→− |
|
k=1 |
|
∂x |
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
∂ n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
IΓ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
2) |
|
(∆v)u· dx = |
∂v |
udSx |
− |
( v, u)· dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
∫Ω |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
→− |
|
|
|
|
|
|
∫Ω |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
∂ n |
|
|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
(∆u)v· dx = |
|
|
∂u |
vdSx − |
( u, v)· dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
∫Ω |
|
|
|
|
|
|
|
|
IΓ |
|
|
→− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∫Ω |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂ n |
|
|
|
|
|
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|
Вычитая из одного выражения другое, имеем искомое равенство.
Замечание 1: в первой формуле Грина можно взять u(x) C2(Ω) ∩ C1(Ω), ∆u C(Ω), v(x) C1(Ω) Можно аккуратно доказать этот факт, но здесь мы опустим доказательство.
Внутренняя задача Дирихле для уравнения Пуассона.
Пусть Ω - ограниченная область с границей Γ C1. Функция функции. Задача Дирихле состоит в том,чтобы найти u(x):
{ |
∆u(x) = f (x), |
x Ω |
|
|
= u0(x), |
x Γ |
|
|
|||
u Γ |
u0(x) C(Γ), f (x) C(Ω) - заданные
( )
Определение Классическим решением задачи Дирихле (!ÏÎÊÀ! ) называется u(x) C1(Ω) ∩ C2(Ω), удовлетворяющая уравнению и граничным условиям.
Лемма 6.2: не может существовать более одного классического решения задачи Коши (*)
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Действительно, пусть uI(x) è uII(x) - решения; v(x) = uI(x) − uII(x) C1(Ω) ∩ C2(Ω) |
||||||||||
∆v(x) ≡ 0, x Ω, продолжаем вплоть до границы: |
||||||||||
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первую |
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|||||
Используем |
формулу Грина: |
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|||||||
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∂v |
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∆v C(Ω); |
v |
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= 0 |
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|||
Γ |
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||||||
(∆v)v· dx = |
IΓ |
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vdSx − ( v, v)· dx |
|||||
|
→− |
|||||||||
∫Ω |
|
∫Ω |
||||||||
|
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|
|
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|
∂ n |
|
|
|
Левая часть = 0, так как ∆v = 0; Первое слагаемое в правой части равно 0, так как на границе v = 0
∫
( v, v)· dx = 0 | v(x)| = 0, x Ω v(x) = const, x Ω, и в силу того,что на границе
Ω
v(x) = 0, имеем, что v(x) ≡ 0, x Ω два этих решения на самом деле совпадают.
Внутренняя задача Неймана для уравнения Пуассона.
Ω - ограниченная область с гладкой границей Γ :
f (x) C(Ω), u1(x) C(Γ) Найти u(x):
33
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∂ n |
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|
∆u(x) = f (x), |
||
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∂u |
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= u0(x), |
||
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→− Γ |
x Ω
( )
x Γ
Опредедение: Классическим рещением задачи Неймана (!ÏÎÊÀ! ) называется такая функция
u(x) C1(Ω) ∩ C2(Ω) , удовлетворяющая уравнению и граничным условиям.
Лемма 6.3: Любые два классических решения задачи Неймана отличаюòñя на константу. Действительно, пусть uI(x) è uII(x) - решения; v(x) = uI(x) − uII(x) C1(Ω) ∩ C2(Ω)
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∆v(x) C(Ω) ∆v ≡ 0, |
x Ω |
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||||||||||||
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∂v |
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∂v |
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||
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||||
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= 0 |
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||
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∂ n |
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|||
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→− |
Γ |
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||
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· |
dx = |
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vdSx |
− |
( |
|
v, |
|
· |
dx |
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||||
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|||||||||||||||
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(∆ |
v)v |
→− |
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v) |
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|||||||||||
∫Ω |
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IΓ |
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∫Ω |
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||||
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∂ n |
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||
Левая часть = 0, так как ∆v = 0; |
|
|
|
∂v |
|
||||||||||||||||
Первое слагаемое в правой части равно 0, так как на границе |
= 0 |
||||||||||||||||||||
∂ n |
|||||||||||||||||||||
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|
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|
→− |
|
|
Аналогично v(x) = const, что и требовалось доказать. Верно и обратное:
Лемма∫ 6.4: НеобходимымI условие внутренней задачи Неймана (**) является выполнение равенства: f (x)dx = u1(x)dSx
Ω |
Γ |
∫Ω |
∫Ω |
∫Ω |
IΓ |
→− |
∫Ω |
|
|
|
|
|
|||||||
Действительно, |
|
f (x)dx = |
∆u(x)dx = |
∆u(x)· 1· dx = |
∂u |
· 1· dSx − |
( u, 1)dx |
|
|
|
∂ n |
||||||||
∫ |
f (x)dx = I u1(x)dSx |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
ΩΓ
Îзадаче на собственные функции и собственные значения для оператора Лапласа
при однородном условии Дирихле.
Найти λ и u(x) C1(Ω) ∩ C2(Ω), ÷òî:
|
{ u |
Γ |
= 0; |
u(x) . 0 |
оператор минус дельта |
|
|
−∆u(x) |
= λu(x) |
|
|||
à) |
сч¼тное число собственных |
значений |
λ : |
λ1, . . . λk, . . . |
||
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||
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|
|
á)|λk| → ∞ ïðè k → ∞ ( λ могут быть комплексными)
в)Каждому собственному значению λk отвечает лишь конечное число линейно-независимых собственных функций.
Лемма 6.5: Всякое собственное значение λk > 0
(∆u) |
|
· dx = |
IΓ |
∂u |
|
|
|
( u, |
|
)· dx |
|
u |
udSx − |
u |
|||||||||
|
|||||||||||
∫Ω |
→− |
∫Ω |
|||||||||
|
|
|
|
∂ n |
|
|
|
На границе Γu = |
u |
= 0 первое слагаемое в правой части равно 0 значит: |
|||||
−λ ∫Ω (uu |
)· dx = − ∫Ω ( u, |
|
)· dx |
||||
u |
|||||||
λ ∫Ω |
(|u|2dx = ∫Ω (| u|2)dx |
||||||
λ = |
∫Ω (| u|2)dx |
λ вещественно, λ > 0, и более того λ > 0 |
|||||
∫Ω (|u|2)dx |
(В задаче Неймана λ может быть равно 0) Выражение для λ называется соотношением Рэлея.
34
Лемма 6.6: Оператор −∆ , определ¼нный на линейном множестве функций: |
|
||||||||||||||||||||||||
является симметричным относительно скалярного произведения |
пространство |
L2(Ω) |
|
||||||||||||||||||||||
D0(−∆) = {u(x) : u(x) C1(Ω) ∩ C2(Ω); ∆u(x) C(Ω); u |
|
= 0} |
|
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||||||||||||||||
Γ |
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||||||||||||||||||
Доказательство. Воспользуемся второй формулой Грина. |
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||||||||||||||||||
u(x), v(x) D0(−∆) |
|
∂ |
u |
v ds + |
→−uds = |
|
|
∂u |
0 |
|
ds + |
|
→− |
|
0 |
ds |
( u; v) = (u, |
∆v). |
|||||||
( u; v) |
(u, |
|
∆v) = |
|
|
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||||||||||||||||
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→− |
∂ v |
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∂ v |
|
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|||||
− |
− |
− |
IΓ |
|
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IΓ |
|
|
|
IΓ |
|
|
· |
· |
IΓ |
|
· |
· |
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− |
− |
|||
|
→− |
→− |
→− |
→− |
|||||||||||||||||||||
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∂ n |
|
∂ n |
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|
∂ n |
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|
∂ n |
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Лемма 6.7 Собственные функции uk(x), um(x), соответствующие различным собственным значениям λk, λm, ортогональны относительно скалярного произведения L2(Ω).
Доказательство
(−∆uk, um) = (λkuk, um) = λk(uk, um);
(uk, −∆um) = (uk, λmum) = λm(uk, um) = λm(uk, um).
Òàê êàê λk , λm òî (uk, um) = 0.
Задача Дирихле для уравнения Лапласа в круге.
Рассмотрим круг D = {x |
|x| < R}, и его границу Γ = ∂D = {x |x| = R}. |
|||||
|
∆u(x) = f (x), |
x |
|
D |
|
|
{ |
|
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|
u Γ = u0(x), |
x Γ |
задача Пуассона в круге |
||||
Введем замену: |
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{ |
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x1 = ρ cos φ |
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; u(x1 |
, x2) → uˆ(ρ, φ) = u(ρ cos φ, ρ sin φ) |
||
|
x2 = ρ sin φ |
|
∆u преобразуется следующим образом: |
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|||||||||||
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1 ∂ |
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∂uˆ |
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1 ∂2uˆ |
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∆u = |
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(r |
|
) |
+ |
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||||||
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ρ |
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∂r |
|
∂r |
ρ2 |
∂φ2 |
|||||||||||
Запишем теперь задачу Дирихле:c |
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1 |
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1 |
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= fˆ(ρ, φ), |
|||||
uˆρρ + ρuˆρ + |
ρ2 uˆφφ |
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uˆ(R, φ) = uˆ |
0 |
(φ) |
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||||||||
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|
uˆ(ρ, φ) = uˆ(ρ, φ + 2π), |
|||||||||||||||||
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||||||||||||||||||
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11
=uˆρρ + ρuˆρ + ρ2 uˆφφ
0 6 ρ 6 R, 0 6 φ 6 2π
0 6 ρ 6 R, 0 6 φ 6 2π
(1)
(2)
(3)
Предположим,что:
1.Будем рассматривать задачу Дирихле для уравнения Лапласа
2.u(x) C1(D) ∩ C2(D)
3.u0(x) C1(Γ)
Предположим, что uˆ0(ρ, φ) можно разложить в равномерно сходящийся ряд Фурье, и uˆ(ρ, φ) тоже. Сделаем это:
|
|
|
a0(ρ) |
|
∑ [ |
] |
|||
uˆ(ρ, φ) = |
|
2 |
|
+ |
ak(ρ) cos kφ + bk(ρ) sin kφ |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
k=1 |
|
|
|
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1 |
2π |
|
|
|||
ak(ρ) = |
|
|
uˆ(ρ, ψ) cos kψdψ, |
(k = 0, 1, . . . ) |
|||||
π |
|||||||||
|
|
|
|
|
∫ |
|
|
|
|
|
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|
0 |
|
|
|
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|
2π |
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||
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|
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|||
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1 |
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||
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b |
(ρ) = |
|
|
|
uˆ(ρ, ψ) sin kψdψ, |
(k = 0, 1, . . . ) |
||
|
k |
|
|
π |
|
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||
|
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|
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|||
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|
∫ |
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|
0 |
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|
|
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35
uˆ0(φ) = A20 + ∑∞ [Ak cos kφ + Bk sin kφ]
k=1
|
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|
∫ |
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
2π |
|
|
|
|
|
|
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|
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|
0 |
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|
|
|
|
|
|
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|
1 |
|
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|
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|
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|
|
2π |
|
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|
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uˆ0(ψ) cos kψdψ, |
(k = 0, 1, . . . ) |
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||||||||||||||
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Ak = π |
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1 |
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|
k |
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0 |
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|
π |
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|
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|
|
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|
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|
|
|
|
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|
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|||||
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|
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|
∫ |
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|
|
|
|
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|
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0 |
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B |
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= |
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uˆ (ψ) sin kψdψ, |
(k = 0, 1, . . . ) |
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Подставим |
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1 |
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1 |
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∑ { |
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1 |
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k2 |
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1 |
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k2 |
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||||||
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[ |
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] |
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[ |
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] |
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[ |
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] |
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|
2 a0′′(ρ) + |
∞ |
|
+ k=1 |
|
|
ak′′(ρ) + ρak′ (ρ) − |
|
|
|
|
|
∞ |
cos kφ + bk′′(ρ) + ρbk′ (ρ) − ρ2 bk(ρ) |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
ρa0′ (ρ) |
|
|
|
ρ2 ak(ρ) |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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2 |
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2 |
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∑ [ |
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] |
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∑ [ |
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|
] |
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|||||||||
|
1 |
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A0 |
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a0 |
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R |
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ak R |
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k |
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bk R |
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k |
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Ak |
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R |
k |
|
Bk |
R |
k |
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||||
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( |
) |
+ |
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) cos |
φ |
+ |
) sin |
φ |
= |
|
|
+ |
|
( |
φ + |
φ |
|
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( |
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( |
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|
) cos |
|
( |
) sin |
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k=1 |
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|
k=1 |
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||||
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||||||
Приравнивая коэффициенты при соответствующих слагаемых получим: |
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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ak(R) = Ak, |
|
(k = 0, 1, . . . ) |
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1 |
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k2 |
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|||||
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ak′′(ρ) + |
ρ |
ak′ (ρ) − |
ρ2 |
ak(ρ) = 0, 0 6 ρ 6 R |
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|||||||||||||||||||||||
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|
2 |
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|
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1 |
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k |
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bk′′(ρ) + |
ρ |
bk′ (ρ) − |
ρ2 |
bk(ρ) = 0, 0 6 ρ 6 R |
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|||||||||||||||||||||||
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(k = 0, 1, . . . ) |
|
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||||||||
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|
bk(R) = Bk |
|
|
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|
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|
|
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|
|
|
}
sin kφ = 0
(4)
На первый взгляд не хватает условий. Но при ρ → 0 наша функция → ∞. А нам бы хотелось этого
избежать.
u - ограниченна.
|
|
|
|
|
|
1 |
|
2π |
|
|
|
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|
|
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|
|
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|
1 |
|
2π |
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|
|||||||
|
|
|
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|
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|
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|
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|
||||
|
|al(ρ)| 6 |
|
|
∫0 |uˆ(ρ, ϕ)|· | cos kψ|ψ 6 M |
|
∫0 |
|
dψ = 2M |
|
||||||||||||||||||||||
|
|
π |
π |
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
Необходимо, чтобы ak было ограниченно: |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
На жаргоне можно сказать, что |ak(0)|, |bk(0)| < ∞ |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
Решением уравнения Эйлера будет: ak(ρ) = αρµ |
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
α[µ(µ |
− |
1) + µ |
− |
k2]ρµ−2 |
|
|
|
µ = k |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
| |
|
|
|
|
|
|
|
} |
|
|
|
|
|
|
|
± |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
= 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
{z |
|
ak(ρ) = C1kρk + C2kρ−k |
общее решение уравнения, при k > 0 |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
{ |
a0(ρ) = c10· 1 + c20 ln ρ |
||||||||||||||||||
|
Из ограниченности: c2k = c20 = 0 |
|
ak(ρ) = c1kρk (k = 0, 1, . . . ) |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
k = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ρ |
|
k |
|
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|
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|
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|
||
( |
|
) = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(ρ) = |
|
|
|
, ( |
|
= 0, 1 . . . ) |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
ak |
R |
|
c1kR |
|
|
Ak |
|
ak |
|
k |
|
Ak(R) |
|
k |
|
|
|
|
|
||||||||||||
Аналогично: bk(ρ) = Bk( |
ρ |
) , |
(k = 1, 2 . . . ) |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
R |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
То есть мы формально решили нашу задачу: |
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
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A |
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|
|
∞ |
|
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ρ k |
|
( ) |
||
|
uˆ(ρ, φ) = 20 + k=1 |
(Ak cos kφ + Bk sin kφ)(R) |
|
||||||||||||||||||||||||||||
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∑ |
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Перейд¼м обратно к декартовым кооридинатам: |
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z = x1 + ix2 = ρeiφ = ρ cos φ + iρ sin φ |
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|||||||||||||||||||||
zk = ρkeikφ = ρk cos kφ + iρk sin kφ |
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|||||||||||||||||||
ρk cos kφ = Re(zk) = Re(x1 + ix2)k = pk(x1, x2); |
ρk sin kφ = Im(zk) = Im(x1 + ix2)k = qk(x1, x2) |
||||||||||||||||||||||||||||||
pk, qk - гармонические функции |
|
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A0 |
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∞ Ak |
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Bk |
|
|
|
|
|
|
( ) |
||||||
|
u(x1, x2) = |
2 + k=1 |
Rk pk(x1, x2) + |
|
Rk qk(x1, x2) |
||||||||||||||||||||||||||
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∑ |
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36
Теорема 6.1: Пусть u0(x) C(Γ). Тогда:
1)существует единственное классическое решение задачи Дирихле |
|
u(x) C∞(D) ∩ C( |
D |
) |
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2) Это решение представимо сходящимися рядами (*) и (**), прич¼м при |
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|x| |
< R < R1 ряды сходятся |
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абсолютно и равномерно. |
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3)Любые частные производные по x1 è x2 могут быть найдены соответствующим дифференцированием |
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в (*), (**) под знаком |
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4) Это решение |
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представимо формулой Пуассона: |
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2 |
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u(x) = |
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1 |
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R |
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− |x| |
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u |
(ξ)dS |
, |
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x |
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D |
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2πR IΓ |
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|x − ξ|2 |
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0 |
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ξ |
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Единственность доказывать пока не умеем. |
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1 |
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2π |
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1) M : |u0(x)| 6 M |
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|Ak| 6 |
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∫0 |
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|uˆ0(ψ)| cos |kψ|dψ 6 2M; |
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аналогично: |Bk| 6 2M |
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π |
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
u(x1 |
, x2) = |
|
A0 |
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|
∞ |
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Ak |
pk(x1, x2) + |
Bk |
qk |
(x1, x2) = |
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A0 |
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|
∞ Ak |
Re(zk) + |
|
Bk |
Im(zk) |
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+ |
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+ |
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2 |
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Rk |
Rk |
2 |
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Rk |
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Rk |
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k=1 |
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k=1 |
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∑ |
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W1(z) = |
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A0 |
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∞ Ak |
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k |
; |
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W2(z) = |
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∞ |
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Bk |
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k |
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+ |
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z |
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z |
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2 |
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k=1 |
Rk |
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Rk |
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k=1 |
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||||||||
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Ak |
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2M |
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∑ |
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R1 |
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∑ |
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6 |
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= 2Mqk; 0 < q < 1 |
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Rk zk |
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Rk |
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|z|k = 2M |
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R2 |
) |
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( |
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мы мажорировали ряд сходящейся прогрессией. По теореме Вейершрасса: W1(z) - сходится |
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Òî åñòü |
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равномерно |
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и абсолютно, и порождает регулярную функцию. Аналогично для W2(z) |
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u(x1, x2) = Re(W1(z)) + Im(W2(z)) |
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u - гармоническая функция. |
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A |
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∞ |
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ρ k |
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|||||||
|
4)uˆ(ρ, φ) = |
|
0 |
+ k=1 |
(Ak cos kφ + Bk sin kφ)( |
|
) |
= |
|
|
|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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2 |
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|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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1 1 |
|
|
2π |
|
|
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|
|
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∑ |
|
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|
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|
1 |
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|
2π |
|
|
|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
1 |
|
|
|
2π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∞ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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ρ |
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
= |
|
|
|
|
∫ |
uˆ0(ψ)dψ + k=1 |
|
|
|
(cos kφ |
|
|
∫ |
|
uˆ0(ψ) cos kψdψ) + (sin kφ |
|
|
|
|
|
|
∫ |
|
uˆ0(ψ) sin kψdψ) |
] |
( |
|
) |
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2 |
|
π |
|
|
|
π |
|
π |
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∑ [ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
1 |
|
|
2π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∞ |
|
1 |
|
|
|
|
2π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
ρ |
k |
|
1 |
|
|
2π |
|
|
|
|
∞ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ρ |
k |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
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|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
= |
|
∫ |
|
|
uˆ0(ψ)dψ+k=1 |
|
|
|
( ∫ (cos kψ cos kφ+sin kψ sin kφ)uˆ0(ψ)dψ)( |
|
) |
|
|
= |
|
|
|
∫ |
|
[1+k=1 |
2 cos k(ψ−φ) |
|
|
|
|
|
]uˆ0(ψ)dψ = |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2π |
|
|
|
|
π |
|
R |
|
|
|
2π |
|
R |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∑ |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
∑ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( ) |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
1 |
|
|
2π |
|
|
|
∞ |
|
|
ρ k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∞ |
|
|
ρ k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
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|
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|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
= |
|
∫ |
|
|
[ k=0 |
|
|
|
|
|
) |
|
e−ik(ψ−φ) + k=1 |
( |
|
|
|
|
) |
e+ik(ψ−φ)]uˆ |
0(ψ)dψ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2π |
|
|
|
|
|
R |
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
∑ ( |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∑ |
( |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| = |
ρ |
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
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|
|
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|
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|
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|
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|
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|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
Пусть p = |
|
|
ρ |
|
Re+i(ψ−φ); |
|
|
|
= |
ρ |
|
Re−i(ψ−φ); |
|
|
|
|p| |
= | |
|
|
|
6 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p |
|
|
|
|
|
|
|
p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
R |
|
|
k |
R |
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
∞ |
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
( |
|
|
|
|
|
) |
|
|
|
∞ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
) |
|
|
∞ |
|
|
|
|
|
|
|
∞ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ρ |
|
|
|
|
|
|
ik(ψ φ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
ρ |
|
|
+ik(ψ |
|
|
φ) |
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
− |
p + 1 |
− |
p |
− |
(1 |
− |
p |
− |
|
p + pp) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
e− |
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ (p)− |
= |
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
e |
|
|
− |
|
|
= p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
k=0 |
(R) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k=1 |
|
|
(R) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k=0 |
|
|
|
k=1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 − p − |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1 − p)(1 − p) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 − p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
∑ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∑ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∑ |
|
|
∑ |
|
|
ρ2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 − |p|2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 − |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R2 − ρ2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R2 − |x|2 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
= |
|
|
|
|
|
1 − pp |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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− 2Re(p) + |p|2 |
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ρ2 |
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R2 − 2Rρ cos(φ − ψ) + ρ2 |
|x − ξ|2 |
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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1 − (p + |
p |
) + pp |
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1 |
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ρ |
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1 − 2 |
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cos(ψ − φ) + |
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R |
R2 |
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Последнее равенство следует из того, что: |
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x = (ρ, φ); |
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ξ = (R, ψ); |
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|x − ξ|2 = R2 + ρ2 − 2Rρ cos(φ − ψ) - по теореме косинусов. |
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То есть, итого имеем: |
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1 |
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2π |
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R2 − ρ2 |
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uˆ(ρ, φ) = |
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∫0 |
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uˆ0(ψ)dψR |
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2πR |
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R2 − 2Rρ cos(φ − ψ) + ρ2 |
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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u(x) = |
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1 |
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R2 − |x|2 |
u |
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(ξ)dS |
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|||||||||||||||||||||||||||
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|
2πR IΓ |
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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|x − ξ|2 |
0 |
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ξ |
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||||||||||||||||||||||||||
|
Пусть u0(x) ≡ 1 |
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||||||||||||||||||||||||||||
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1 |
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2π |
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|
1 |
|
2π |
|
|
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|
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|
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|
|
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|
1 |
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|
|
2π |
|
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|||||||||||||
A0 = |
|
∫0 |
|
|
1· dψ = 2; |
|
|
|
|
Ak = |
|
∫0 |
|
1· cos kψdψ |
= 0; |
|
|
Bk = |
∫0 |
1· sin kψdψ = 0 k N |
|
|
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|
|
|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
π |
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π |
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|
|
π |
|
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37
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∑ |
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( |
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|
) |
|
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Γ |
| |
− |
| |
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|
|
A |
∞ |
|
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|
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ρ |
|
k |
|
1 |
|
I |
2 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
uˆ(ρ, φ) = |
|
0 |
+ k=1 |
(Ak cos kφ + Bk sin kφ) |
|
|
|
≡ 1 = |
|
R |
− |
|x| |
· 1dSξ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
2 |
|
R |
|
2πR |
x |
|
ξ 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
Покажем непрерывность по0Êîøè. |u0(x)| |
6 M : |
0 |
)| < ϵ |
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
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||||||||||||||||||
ϵ > 0 δ(ϵ) > 0 x : |x − x |
| < ϵ → |u(x) − u(x |
|
|
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|
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|
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||||||||||||||||||||
Возьм¼м ϵ > 0 : |
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|||||
1)u0(x) C(Γ) |
|
δ0(ϵ), такие что ξ Γ & |ξ − x0| < δ0(ϵ) |
→ |
|u0(ξ) − u0(x0)| < ϵ/2 |
|
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||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
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1 |
|
|
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1 |
|
|
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|
δξ0 = {ξ |
|
|
ξ Γ & |ξ − x0| < δ0(ϵ)} |
|
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|
2 |
x |
2 |
|
|
|
|
|
|
R |
2 |
x |
2 |
0 |
|
|
||||||||||
2)Пусть |
|
|
|
|
. Тогда |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|x| < R |
|
|u(x) − u(x )| = |
|
|
|
|
I |
x −ξ| |
|
2| u0(ξ)dSξ |
− 2πR I |
|
x |
−ξ| |
|
2| |
u(x )dSξ |
= |
||||||||||||||||
|
|
|
2πR |
|
|
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|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
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| |
− |
| |
|
|
|
|
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|
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| |
|
|
− |
| |
|
|
|
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|
||
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||||||||
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Γ |
| |
2 |
− |
| |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
I |
Rx |
−ξ|x2| |
|
|
|
|
|
|
|||||
2πR |
[u0(ξ) − u(x0)]dSξ = |
||||||||||||||||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∫ |
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
||
|
|
2πR |
|
x |
−ξ| |
2| |
0 |
− 0 |
|
ξ |
|
2πR |
|||||
|
|
|
0 |
|
|||||||||||||
|
|
1 |
|
|
R |
|
|
x |
|
|
|
|
1 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
[u (ξ) |
u (x )]dS |
+ |
|
||
|
|
|
|
|
| |
|
|
− |
| |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Γ |
Γ |
∫R2 − |x|2 [u0(ξ) − u0(x0)]dSξ = |I0(x) + I1(x)| 6 |I0(x)| + |I1(x)| |x − ξ|2
|
|
|
|
|
|
|
|
δξ0 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I0 : |
|
|
|
|
|
|
|
Γ/δξ0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
3) |x| < R, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
оценим интеграл |
|
|
|
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|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
I |
(x) |
6 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
R − |x| |
|
|
u |
(ξ) |
|
|
u |
(x0) |
dS |
|
6 |
|
ϵ 1 |
|
|
|
|
R − |x| |
|
dS |
|
= |
ϵ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2πR ∫ |
|x − ξ|2 |
|
|
|
|
|
2 2πR IΓ |
|x − ξ|2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 0 |
|
|
| |
|
|
|
|
|
| |
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
− |
0 |
|
|
|
|
|
| |
|
|
ξ |
|
|
|
|
|
ξ |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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δξ0 |
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1 |
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4)Оценим I1. Выберем δ1(ϵ) = |
δ0(ϵ) |
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2 |
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δ0 |
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|x| < R & |x − x0| < δ1(ϵ): |
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|x − ξ| > |
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|x − ξ| − |x − x0| > |
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2 |
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δ0 2 |
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∫ |
· |
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δ02 |
2 |
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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| |
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2πR ∫ |
x |
− |
ξ |
2 |
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|
− |
|
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2πR |
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|||||||
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I1 |
(x) = |
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1 |
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|
R2 |
− |x|2 |
[u0(ξ) |
|
|
|
u0(x0)]dSξ |
|
6 |
1 |
|
|
(R − |x|)(R + |x|) |
2M |
|
1 dSξ 6 16MR |
R − |x| |
< |
ϵ |
, |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
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Γ/δξ0 |
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Γ/δξ0 |
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|||||||||
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2 |
|
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||||||||||||
|
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( |
) |
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|
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|
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|
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|
|
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|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
[ |
δ0 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
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|
|
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|
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|
|
|
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|
|||||||||||
|
|
|
Положим δ(ϵ) = min |
|
|
, |
|
|
|
δ0ϵ |
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
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|
2 |
32MR |
|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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|
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|
|
|
|
(ϵ, δ) |
|
|
|
|
|
] |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
|
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|
|||||||||
|
|
|
Непрерывность по Коши |
|
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|
|
|
доказана. |
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|
|
|
|
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|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
Представим функцию u(x) â âèäå ðÿäà: |
|
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A0 |
|
|
∑ |
|
Ak |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∑ |
|
Bk |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∞ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∞ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|||||||||||||||
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|
|
u(x) = |
|
2 |
|
+ k=1 |
Rk |
pk(x1, x2) + k=1 |
Rk |
qk(x1, x2) |
|
|
|x| < R |
|
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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|
Вспомним, что u(x) = W1(z) + W2(z), ãäå |
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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A0 |
|
|
∑ |
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
∑ |
|
Bk |
|
k |
|
|
|
|
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|
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|
|
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|
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||||||||||||||
|
|
|
W1(z) = |
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
z |
|
; |
|
|
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|
W2(z) = |
|
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|
z |
|
|
|
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||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
Rk |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k=1 |
|
Rk |
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
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|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
k=1 |
|
|
|
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|
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|
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|||||||||
|
˜ |
|
Сведения из ТФКП: |
|
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||||||||||||||||||||||||
W(z) = u˜(x1, x2) + iv˜(x1, x2) |
|
|
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|
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|
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||||||||||||||||||||||||||||||
|
dW |
= u˜x1 + iv˜x1 |
|
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|
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|||||||||||||||
|
dz |
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|
˜ |
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||||||||||||||||
|
∂u˜ |
|
|
|
|
|
∂ |
|
|
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|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
˜ |
|
|
|
|
|
|
|
dW |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
∂x1 |
|
= |
|
∂x1 W(z) = dz |
|
|
∑ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dW1(z) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∑ |
|
|
|
∑ |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
∂ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂ A0 |
|
|
|
Ak |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d A0 |
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∞ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∞ |
|
Ak |
|
|
|
∞ Ak d |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
W1(z) |
= |
|
[ |
|
|
|
|
|
+ k=1 |
|
pk] = |
|
|
|
|
|
= |
|
[ |
|
+ k=1 |
|
zk |
] = |
[0 |
+ k=1 |
|
|
|
|
(zk)] = |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
∂x1 |
|
∂x1 |
|
2 |
|
|
Rk |
|
dz |
|
|
dz |
2 |
Rk |
Rk |
dz |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
∑ |
|
Ak |
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
∑ |
|
Ak |
|
∂ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∑ |
Ak |
|
∂ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
= |
∞ |
|
|
|
(zk) = |
∞ |
|
|
|
(zk) |
= |
|
∞ |
|
|
pk(x1, x2) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
k=1 |
|
Rk |
|
dz |
k=1 |
|
Rk |
|
∂x1 |
|
k=1 |
|
Rk |
|
∂x1 |
|
|
|
|
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